主溜井垮塌分析与研究.pdf

2 0 0 1年 1月 第 3 0卷第 1期 有色矿山 N a f e r r o t e N f m e s J a n． ． 2 0 01 Vo 1 ． 3 0 No ． 1 主 溜井 垮塌 分析 与研 究 周建华 ， 周根 明 1 ． 武山铜矿 ． 江西 瑞 昌 3 3 2 2 0 4 ； 2 ． 北京金诚信矿山建设有限公 司。 北京 1 0 0 0 1 1 [ 关■泻】主藩井垮塌 ； 治理方案 ； 措施 c ■耍 ]探讨武山铜矿主藕 井垮塌 原因， 研究镧定主檀井垮塌处理方案和恢复使用后应采取 的措施． 总结经验教训． 以保证主溜井达到预期 的服务年限。 [ 中田分娄号】T D 5 2 1 ． 1 [ 文献标识码】A[ 文章蛐号】1 0 0 2 ． 8 9 5 1 2 0 0 1 0 1 - 0 0 0 9 0 5 An a l y s i s a n d s t u d y o f ma i n c h u t e f a l l i n g z HOU J i a n - h u a ．Z HOU Ge n ． mi n 1 ．Wu s h a n C o p p e r Mi n e ．Ru i c h a n g 3 3 2 2 0 4．C h i n a； 2． B e i j i n gJ i n c h e n g c i n Mi n e C o n s t r u c - t i o n C 0 ． Lt d． ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 l ，C h i n a Ke y wo r d sma i n c h u t e f a l l i n g；t r e a t me n t p l a n；me a s u r e Ab s t r a c t Th e r ce s o r l s o f c a u s i n g ma i n c h u t e f a l l i n g a r e d i s c u s s e d．1 _ h e t r e a t me n t p l a n f o r t r e a t i ng ma i n c h u t e f a l l i n g a n d t h e me g s u r e me l l t t h a t s h o u l d b e a d o p t e d t O r e t u r r i t o n o r ma l p r o d u c t i o n a f t L a i d o u t a nd s t u d y e d． a n d t h e e x p e r i e n c e a re s u mma r i z e d ， wh i c h c a r tt l r e t he m a i n c h u t e f i n i s h i ng th e s e r v i c e l i f e ． 武 山铜 矿为 一 中型 地下 开 采 矿 山． 由南 北两 个矿带 组 成， 设计 生产 能力 3 0 0 0 t ／ d 目 前能力 2 5 0 0 t ／ d左 右 ． 南北 矿带各 1 5 0 0 t ／ d 。 两矿带矿石共用一个主井提升。主溜井一期 工程服务至 一舯m中段 已经结束， 二期工程 设计服 务至 一2 t o m 中段 ， 一 、 二 期 工程均 设 有两条 主 溜 井。 一 期 工 程 未 设 井 下 破 碎 系 统， 二期工程设有井下破碎系统． 两溜井共用 一 套 破碎系 统。 二期 工 程 1 主溜 井 主 要服 务南 矿带矿石 运输 ， 2 主溜 井 主要 服务 北矿 带矿石 运输 ， 但在 使用 过 程 中互 为 备 用。两 主溜井投入使用二年后， 发生大面 积垮 塌。 主溜井垮塌后， 一井停产检修， 另一井维持生 [ 收穑 日期 】2 0 0 0 1 1 ． 0 3 [ 作者简介】 周建华 1 9 6 5 一 ． 舅。 7 - 1 i 。 产 。根据 垮塌 程 度 ， l 主溜 井 采用 喷锚 网联 合支护修复。2 主溜井采用钢筋砼整体支 护修复。 2 工 程设 计及垮塌情况 简介 武 山铜 矿两 主 溜 井均 为直 溜井 ． 两 井 井 筒中心相距 2 0 m， 井筒 净直径 3 ． 0 m。l 主 溜 井 设 计 标 高 为 一2 3 7 m ～ 一 8 0 m． 高 度 1 5 7 m， 设计 服务 四个 中段 。2 主溜井 设计 标 高 为 一2 3 7 m～ 一1 2 0 m， 高 度 l 1 7 m， 设 计 服 务三个 中段。两主溜井系统类型均为分支溜 井一溜井一破碎系统类型， 溜井下部设计断 面 nmX 6 m， 矿仓高度 1 0 m， 分支溜井倾角 为 6 0 ， 溜井 系统 除矿仓 采用 钢 筋砼 支 护外 ． 其余均 采 用厚 3 0 0 ram 的 C 1 5素混凝土 支 护 。 主溜井工程位于志留系上统砂帽组下段 岩体 中， 岩石 为椽 灰 、 灰 绿色 ． 以 石英 砂 岩 为 主， 局部有少量长石石英砂岩， 矽质胶络， 绷 维普资讯 1 0 有色矿山 2 0 0 1篮 粒结构 ， 岩 石坚硬 、 性脆 。该 区域断裂构 造主 要有两 组． 岩体 节理 特别发 育， 裂隙 中有黄铁 矿 、 黄铜 矿 矿化 。 充填 物 较 少， 岩 体 暴露 面较 大时 易发生垮 塌。主溜 井系统 与主 井、 副 井、 回风天 井系统 布置相对 较集 中 见 图 1 。 田 t主溜 井 系 统 一1 ∞m 平 面 雷 主 溜 井 期 工 程 于 1 9 9 6年 建 成 。 1 9 9 7 年投 入使用 。 到 1 9 9 8年 底发现 1 与 2 主溜 井垮 塌 。 共 运输矿 量 1 0 3万 t ， 其 中 1 主溜井 运输矿 量约 8 0万 t 。在投 入使 用 初 期 。 溜 井 底部 采用振 动放 矿， 因北矿带矿 石主要 为 C u P y ， 其 次 为 C u N。以上矿 石松 散 ， 粉 矿多 ， 含硫 高， 遇水 后 易 泥化 ， 粘 性 大 ， 遣 成 放 矿 斗 放矿 不正常 ， 主 溜 井经 常 结拱 堵 塞 。为 处 理 主溜 井 结 拱， 投 产 后 就 分 别 在 一 2 1 7 m， 一 2 0 0 m乎从 回风 天 井 向主 溜 井施 工 了 二 条处理 结拱 的措 施巷 。措 施 巷 施工 后， 虽 解 决了主溜 井结 拱 处理 难 的 问题 ， 但 也 对 主 溜 井支护砼 带来 了一定的破 坏。 两 主溜井 井壁从上 向下均发 生了不 同程 度的垮塌 ． 1 主溜 井 比 2 主溜 井垮 塌 严 重 得多 。 l 主 溜 井 垮 塌 标 高 为 一2 3 0 m ～ 一 8 0 m， 垮 塌 高 度 1 5 0 m。 在 一1 2 0 m～ 一8 0 m 标 高 之 间 呈 之 字 形 垮 塌 ； 在 一 1 2 0 m ～ 一 1 6 8 m标高 之 间 ， 垮 塌 断面 较 大 。 形 状 不 规 则 ； 在 一1 6 8 m～ 一2 0 0 m 标 高 之 间垮 塌 最 严 重 ， 断 面 不 规 则 ， 垮 塌 后 井 筒 断 面 最 大 达 4 2 0 m2 ， 最 大 长 轴 3 2 r a ， 最 大 短 轴 2 0 n l ， 且 与 之相距 l l m远的回风天井垮穿连为一体 ； 在 一 2 0 0 m 标高 以 下垮 塌 后 断 面逐 渐缩 小 。该 溜井 垮 塌 方 量 为 1 5 0 0 0 m3 。2 主 溜 井 垮 塌 标高 为 一1 2 0 m ～ 一2 3 0 m， 垮 塌 高 度 1 1 0 m。 在 一l 2 0 m～ 一1 5 0 m之 间也 基 本 呈 之字 形 垮 塌 。 在 一1 5 0 m～ 一2 0 0 m 之 间垮 塌 断 面较大 ， 且不规 则 。垮塌 后 井筒 最 大 断面 积 1 3 0 m2 ， 最大长轴 1 7 m， 最大短轴 1 3 m， 总垮 塌方量 4 5 0 0 m3 。 1 、2 主 溜 井 垮 塌 后 纵 剖 面 见 图 2。 蜥 ‘ 7 5 ‘ l B 5 ‘ s a 4 ‘ 1 6 5 三 3 4 5 井 翻 2 主溜井崎塌后纵翻面圉 3 主溜井垮塌主要原因探 讨 主 溜井磨损 破坏 以及 垮 塌原 因很 多 ， 主 要 是矿石 在榴 井 井筒 中运 动产生 的冲击力和 磨擦 力作用 于 井 壁使 溜井 断 面扩 大 ． 当扩 大 到 一定程度 时， 溜井井壁 丧失稳 定， 则 出现 片 邦塌 方现 象 。 主溜 井磨 损是 一种 正 常现 象 。 从 国内外溜 井实测 资料中 ， 可 以得 出一结论 当磨 损速度 低于 0． 1 ／ 万 t 时． 溜 井一般 能 正 常生产 ， 此 时 即不 片邦 又不塌 方 ； 当磨损速 度超 过 0。 4 m2 ／ 万 t时， 则 有 片 邦 塌 方 的可 能。影响主溜井磨损速 度的 因素很多， 磨损 速 度 函数 式为 Ⅱf H 、 A 、 f 2 、 So 、 、 R、 K 、 h 式 中 磨 损速 度 ； H卸 矿高度 。 m； 一 维普资讯 第 1期 周建华等 主糠井垮塌 分析与研究 l l 被 溜放的矿 石硬度 ； 溜井穿过岩层的岩石硬度 ； a 被溜放的矿石块度尺寸 ． m； S n 溜井 设计 断面尺寸 ． m2 ； R卸 矿方 法 K贮矿方 法 ； 溜 井结构 类型 。 根据 以上关 系式和 武 山铜矿 主溜井 垮塌 情况， 可以从几个方面探讨武 山铜矿 主溜井 垮塌的主要原因。 3 ． 1 从主滑井结构类型 夏支护形式上分析 二期 工程主 溜井形式 为带分 支斜溜 井的 多水平同时卸矿的垂直溜井， 分支斜溜井倾 角 6 0 ， 其对面受矿点未谖缓冲硐室． 也未进 行特 殊加 固处 理， 因此矿 石 从分 支 斜 溜 井 进 入主溜井后。 先对该部位井壁 产生冲击磨损 破坏， 随后逐渐将其砼 剥落。同时又因井壁 采用 C 1 5素砼支护． 井壁上 下无筋连接． 所 以随着卸矿 量 的增 大 ． 剥 落 井壁 的 砼 面 积也 增大 。井壁硷 大 面 积剥 落后 ， 矿 石 叉对 其 围 岩产生冲击破坏， 当围岩不稳固时． 井筒产生 垮塌 。 3 ． 2 从矿石性质夏谭井断霹尺寸上分析 武山铜矿 由南 北两 矿 带 组 成。 两矿 带矿 石性 质差异较大 。南矿带 主要 为 C u S k矿 体， 矿 石坚 硬 ． 出矿块 度较 大 ； 北 矿带 主要 为 C u P y和 C u N、 C u K． 矿 石 松 散 ． 粉 矿 多 ， 含 硫 高， 遇水后粘性强。从理论上分析． 当井筒直 径 3 ． 0 m 以下 ， 井筒 嗣岩 不稳 固。 采用 3 0 0 ram 厚， C 1 5素混凝土支护时， 溜井宜采用贮矿方 式运输坚硬、 块度较大的矿石， 以减少矿石对 井壁的冲击破喜 I 。但在 生产过程中。 南北矿 带矿石采用 同一溜井混合 运输， 溜井贮矿运 输 时又极 易发生结拱 堵塞 。为保证 主溜井畅 通 ， 确保 正常 生产 ， 因此 主溜 井采用非贮 矿方 式运 输 且经 常放 空 ， 井 壁从 上 向下经 常 受 到 矿石冲击和磨损， 当井壁受冲击磨损达到一 定的程度时， 井筒就产生片帮塌方。 3 ． 3 从 工程地 质条 件上 分析 主溜井垮塌后。 经现场勘察。 主溜井围岩 节理极 为 发 育， 在 一1 6 0 m-- 一2 1 0 m 标 高段 井筒有两条断裂构造。井筒垮塌首先是沿着 断裂构 造、 层 理 、 节 理 方 向发 生 片 邦 冒落， 然 后 使得井筒 琦区不断 扩大 。特别 是 在矿石 的 冲击下， 垮塌井筒无法形成 自然拱而趋于稳 定。另外主溜井位于 一l 6 0 m水仓附近， 井筒 内虽无渗水现象， 但围岩裂睬水呈饱和状态。 削弱 了岩体 的稳 定性 。从 主溜井垮 塌 断面大 小与其工程 地 质条 件对 应来 看 。 工 程 地 质条 件越差的地方 ， 垮 塌越严 重， 因此工 程地质条 件差是 主溜井发 生大 面积 垮塌 的一个重要 因 素。 3 ． 4其它 1 主溜井在运行过程 中， 因经常发生结 拱 ． 主溜井 系 统 中没 设置 处理 主溜 井 结拱 的 措 施 工 程， 为 处 理 结 拱。 分 别 在 一2 1 7 m、 一 2 0 0 m 平 临 时 从 风 井 向 主溜 井施 工 了 两 条措施工程。在施工措施工程过程 中。 井筒 支护砼 受到 了破 坏 。 同时 工程 形 成后 。 没 对 其采用钢筋砼与溜井锁 口加固， 因此井筒在 该 部 位形成 了一个极 易破坏 的 弱面。该 弱面 在矿 石 冲击 作 用 下 ． 主 溜井 首 先在 该 部 位发 生垮塌 。 2 主 溜井结拱 采用爆破方 法处理 时。 有 时因用药量过多， 产生较大的爆破地震和 冲 击波， 对主溜井 井壁 产生 了较严重 的破坏。 有 时因结拱 高度较 高。 溜 井存矿过 多 ， 结拱 矿 石爆破处理后， 大量矿石突然柱塞状 向下急 剧运 动， 产生 巨大 的压缩 气流 和磨 擦力， 井壁 在压 缩气 流 和 磨擦 力 的作 用 下 。 也极 易 产生 较严重的破坏。 4 主溜井垮塌处理方案研究 武山铜矿两 主溜井相距较近 ， 且都发生 大面积垮塌， 为防止两井垮穿， 控制或减缓主 溜井进一 步垮 塌 是关 键， 因此 先对 待 治 理 的 溜井采用 矿 石加 废 石 回填 加入废 石 以防结 维普资讯 有色矿山 2 0 0 1妊 拱 ， 然后 再进 行 治 理 。 因 l 主溜 井 垮 塌 极 为严重 ， 经专 家研 究， 虽提 出 了钢板 卷制井筒 空区尾砂 充填 ， 井筒 变径 钢 筋 砼整 体 支 护 和 喷锚网联 合临 时支 护方案 ， 但从 投资 、 施工难 度、 施工时间和施工安全等方面比较， 选择了 喷锚网联合 临时支 护方 案 据有 关资料统 计， 主溜井支护 很少采用 喷锚网 作永 久性支 护 。 2 主溜 井 垮 塌 量 较 小 ， 在 l 主 溜 井 仅 作 喷锚 网支 护处 理情 况 下 ， 为 必 须保 证 有 一 主溜井达到设 计服务年 限， 因此 2 主溜井 采 用钢筋砼 作 永 久性 整体 支 护 。在 进 行 2 主 溜井治理设计时， 根据生产实践和主溜井使 用经验 。为 防止井 壁过 早破 坏， 井筒 需 存矿 运行， 但 存 矿 高度 不宜 高于 一2 0 0 m。 也 不宣 低于受矿 斜面， 过高处理 结拱难 度太， 安 全性 差 ． 低 于受矿 斜 面极 易被 矿 石 冲 击破 坏 。为 此 ． 在进 行 2 主溜井修 复设 计 时对 有关 设计 参 数重新进 行确定 。 4 ． 1 支 护参藏的确 定 因 主溜井既要 满 足运 输 硬 度不 大 粉 矿 较多 、 桔 性大 的北矿 带 C u P y矿石 ； 又 要满 足 运输 硬 度 大 、 块 度 大 的 南 矿 带 C u S k矿 石 。 主溜井工程地质条件差． 运输矿量大， 服务时 间长。根据 以上条件， 2 主溜井采用 C 2 0钢 筋混 凝 土 支 护， 最 小 支 护 厚 度 5 0 0 mm． 其 它 垮空 区采用砼 回填 。 4 ． 2 井 俺I径确定 井筒直 径是保证 主溜井 能否正常运 行的 关键 尺寸 。 D≥ KC一 1 s i n 9 ／ T 式中 D一溜 井 直径 或 溜 井 最 小 边 长 ， m ； K 溜井长 短边 比系 数 ； c一 矿 岩 石最大 粘着力 ， t ／ m2 i 矿 岩 石松散体 系， t ／ 1 1 1 ； 矿 岩 石内摩擦角． ’ 。 在理论 上． 当 溜 井 直 径 或 溜井 最 小 边 长 满 足运 行条件 时． 矿 石在井筒 中 不会 产生 堵 塞现象 ， 反之 ， 由于 矿石粘 着力作用 而产 生堵塞 。粘 着 力 又 与 矿 石 含 水 量 有 密 切 关 系。理论上， 当溜井直径取 5 ． 5 m 时， 矿石在 溜 井 井筒 中 不 会．产 生 堵 塞． 如 溜 井 直 径 取 3 ． 0 m 时， 矿石含水 量小 于 6 ． 4 ％时 溜 井放 矿 正常， 含水量在 9 ． 7 ％～1 1 ． 0 ％时， 矿石在溜 井井筒 中产生堵 塞 ； 含水 量达 到 l 5 ％以上 时 ， 则 发 生跑 矿事 故 。根 据 武 山铜 矿 的矿 石 性 质及矿 石 在雨 季 易粘 结拱 的特 点 ， 结合 以 上不堵塞 不跑矿 的条 件和为 减步 下部 井筒 局 部扩邦量， 因此确定 2 主溜井存矿段井筒直 径 为 4． 5 m． 其它段 为 3 ． 5 m。 4 ． 3 分支溜井形式及参藏的确定 原主溜井的分支溜井采用 6 0 倾角的斜 溜井， 主溜井垮塌后， 分支溜井大部分垮塌， 且在原分支溜井段井筒垮塌断面最大 。同时 为减缓矿石直接冲击分支溜井对面井壁， 因 此 ． 分支溜井不按原设计修复， 而采用直溜槽 加台 阶 形 式 修 复 。 溜 槽 高 度 1 2 ． 0 m， 宽 度 2 ． 0 m， 深 度 台阶长度 3 ． 0 m。这种形式 加 大矿 石水平 运 动方 向的 溜 井尺 寸， 减少 了矿 石对 其对 面井 壁 冲击 磨 损 机会 ； 同时 又 因台 阶堆 积粉矿 后 形成 缓 冲 层 ， 减 小 了矿 石 下落 速度， 降低了矿石对井壁的冲击力。 4 ． 4 矿仓受矿砸带式爰参藏的确定 矿仓受矿面 是井筒与矿仓 变化交接部 位， 受矿石冲击力慑大， 也是极易产生堵塞和 破坏的部位。原矿仓受矿面为水平台阶型， 在存矿的 情况 下 ， 常常 在 该处 发 生 结拱 堵 塞 现象。为 防止 存 矿 段 发 生 堵 塞 和 受 矿 面 破 坏． 因此受矿面由水平台阶改为斜面， 斜面倾 角大于矿石 自然安患角， 根据 经验额角取 定 为 6 2 。 斜面采用双层钢筋网砼支护。 4 ． s 硅拱措施工程形式及参獭确定 主藩井虽要求采取控．I} j 存矿高度遥行， 但很难确保苇结拱。为安全及时处理主溜井 结拱 ． 又不致 于 因爆 破对 主溜 井 井壁 产生 较 大的破坏 ， 因此在修复井筒时， 分别在 一2 1 7 、 一 2 1 0 m 各 璜 埋 二 根 01 3 3 ram、 壁 厚 1 0 mm 钢管 于井壁 内， 钢管 长 度与 井 壁支 护 砼 厚相 维普资讯 第 1 期 周 建华 等 主溜 井垮 塌 分 析与 研 究 同 。 5主 溜井 安 全 运 行 应 采 取 的 措 施 1 做 好主 溜井生产管 理工作 ， 严格 控制 不合格 的大块 矿石进 入 主 溜井 ， 在 各卸 矿 口 设置 4 0 0 mm 4 0 0 ram 格 筛 。格 筛材 料 选 用 不 易 断裂 的 圆钢 或 2 0 0 mm 2 0 0 mm 方 钢 ， 不宜使 用钢轨 ， 因钢 轨脆 ， 易断裂 掉入井 内而 引起堵 塞。 2 减 少矿石含 水量， 控制 矿石含 水量 小 于 6． 4 o , 6 。 3 南北 矿石按 比较卸放 ， 粉矿和块 矿搭 配、 湿矿 与干矿搭 配下赦 ． 以降低矿石 的粘 着 力。根据放矿 理 论要 求放 矿 ， 当粘 着 力小 于 0 、 2 t ／ l l l 2时 ， 溜 井 正 常 放 矿 ； 当 粘 着 力 较 大 时， 应定时进行放矿， 缩短矿石在溜井井筒 中 的静 止 时间。 4 2 主 溜井 修 复 后 ． 井简 直径 下部 为 4 ． 5 m， 上部为 3． 5 m。 为 防 止结 拱 和 矿石 对 受矿面的冲击破坏， 存矿高度控制在受矿 面 以上变 径段 以下 。 5 采用爆 破方法 处理井筒 内结拱 时。 必 须通过专用爆破孔将炸药进入堵塞段井筒 中 心附近进行爆破， 并严格控制装药量。 6 经 验教训 1 在进行 主溜 井设 计时， 要详 细 掌握 主 溜 井穿过岩 层 的工程 地 质 和 水文 地 质资 料 ． 特刷是岩层的地质构造， 节理裂晾发育情况 以及岩石的物理力学性质。掌握所运矿石性 质， 矿石雀井筒中的运动和磨损规律， 加固材 料的物理力学性 质． 以及磨损和抗冲击能力 指标 ； 研 究分析 放卸矿过 程 中， 矿石 作用井 的 静压 力． i 巾击 力 以及 处理 主 溜井结 拱爆 破时 对 额墙和 井壁的影 响。 2 主井、 主溜 井位 置 关 系 确定 后 ， 若无 法避 开不稳 固岩层 ， 或岩 石虽坚硬 ， 但 节理发 育 ， 主溜井 应选择钢 筋砼支 护。 3 主溜井直径 不宜过 小， 特别是对 于运 输粉矿多， 易结拱矿石的主溜井， 除按矿石块 度和生产 能 力确 定其 尺 寸 外， 还应 按溜 放 粘 性 矿石条 件进 行 校核 ． 并取其 最佳值 。 4 处理 结拱 的措 施 井巷工 程 应 与 主 溜 井 同期形成 ， 不宜 在 主 溜 井投 入使 用 后再 施 工 ， 同时尽 量 减步 与主 溜井井筒 相通 的巷道 。 5 武 山铜 矿 一 期工 程 主 溜井 形 式 为分 段控制直 溜 井， 二 期工 程 主溜 井 形 式 为带 分 支斜溜井的多水平同时卸矿的垂直溜井。一 期工程 主溜井完 成设计服 务年 限后仍未发 生 垮塌 ， 二期工 程主溜 井使用效 果差 ． 笔者认 为 一 期工程 主溜 井形 式 更 合 理 。另 外， 主 溜 井 受矿石 冲 击 频 繁 部 位 应 采 用 刚 性 或 柔 性 加 固。采用 刚性 加 固时不 宜 竖 向衬 轨 ， 因钢 轨 性脆 ， 易被 矿 石 砸 断 剥落 。 甚 至 发 生 堵 塞 事 故 。 7 结 柬 语 主溜井垮 塌是 一 个 复杂 的 问题 。 是 多 种 因素共同作用的结果。采用主溜井放矿的矿 山， 不但要做到主溜井位置选择合理， 结构设 计合理 、 给放矿设施可靠， 而且要做好水和粉 矿等管理工作。在进行主溜井设计或主溜井 延深设计 时， 研 究矿石性 质 、 矿石在 主溜井 中 运动轨迹及矿石对井壁冲击磨损特点是很有 必要的， 对那些现场难以傲到的， 可以采用计 算机模拟。 [ 参考文献 ] [ 1 ] 郭宝昆 ． 溜井适用条件 、 类型 、 位置选择及生产 艟 力 的确 定 2 ] 郭宝昆等 ． 溜井结构尺寸 的确定． [ 3 ] 郭宝 昆 ． 溜 井 的磨损 分 析 ． 维普资讯